基于三轴试验压实黄土微观结构变化机制研究

采用电镜扫描仪（SEM）对三轴剪切前后压实黄土样在水平面和竖直面进行微观结构观察,从剪切前后孔隙排列、孔隙形态、孔隙尺度变化特征3方面分析宏观强度试验的微观本质。试验结果表明：剪切前后概率嫡均在1附近,不同围压下剪切后土颗粒间孔隙排列无序,对宏观强度影响很小。不同围压下剪切后土样的平均形状系数和周长面积分维值均呈下降趋势,孔隙形态的变化对压实黄土强度不同的贡献较大,且土颗粒的团粒化程度与土样强度正相关;孔隙比的变化趋势与压实黄土强度的变化趋势相反,孔隙尺度的变化是压实黄土强度变化的控制因素。因此剪切前后微观结构的变化能较好地解释宏观试验现象。     

泥炭质土剪切特性及微结构变异特性

对滇池湖相沉积不同埋深的5层原状泥炭质土进行固结不排水三轴剪切(CU)及电镜扫描 (SEM)试验,分析不同埋深和围压下泥炭质土剪切特性及微结构变化.结果发现:在 50~ 1800kPa围压下,绘制泥炭质土极限应力的公切线不能仅用一条直线,而需分段画公切线.泥炭质土的有效应力路径曲线随围压增大从无序向有序转变,且固结压力大于300kPa后,有效应力路径曲线形态呈“7”字形,固结排水量在50~300kPa围压段内呈线性增长.根据微观结构变化与宏观剪切过程结合,分析其固结剪切过程的机理.在围压作用下土颗粒产生位移,颗粒的接触方式由边-面为主转变为面-面为主,土中大孔隙被挤压成小孔隙,孔径1μm 的小孔隙占优,土体变形本质是土颗粒位置改变.随着围压的增大,孔隙定向性提高,土颗粒分布更为均匀.泥炭质土由松到相对密实再到密实,其抗剪强度及其相关参数也相应提高.     

等吸力三轴剪切试验中非饱和黄土强度变形及水量变化特性

通过饱和原状黄土常规三轴试验和非饱和原状黄土等吸力三轴试验研究吸力和净围压对非饱和黄土强度变形的影响，并用HUANG等、胡冉等和方祥位等提出的土水特征曲线模型分析剪切过程中排水规律。研究结果表明：等吸力下原状土样固结剪切体积变形随净围压增大而增大；等净围压下原状土样固结剪切体积变形量随吸力的增大基本呈减小趋势。p-q平面内饱和土CSL线逐渐超过低吸力下非饱和土CSL线，原因在于随着p值增大，相对于非饱和土，饱和土孔隙比越来越小，较小孔隙比对抗剪强度的贡献逐渐大于非饱和土吸力对抗剪强度的贡献。应用固结稳定的数据拟合出HUANG等和胡冉等提出的模型参数，并预测剪切过程中的排水量，发现剪切速率对排水量有影响，这两种模型适用于剪切速率慢，排水充分的情况，而方祥位等提出的模型对不同剪切速率会拟合出不同的参数。     

强震作用下抗震陷黄土改良地基的微观特征分析

基于动三轴试验和SEM细观结构测试试验,结合图像分析处理软件,对强震荷载前后宝兰客运专线沿线典型震陷性黄土及其经物理、化学和复合改良方法处理后的试样进行微观尺度的结构变形演化规律研究,探讨不同改良方法对土体微结构的影响及其与震陷系数之间的内在联系。结果表明:(1)物理改良方法对于消除大孔隙和架空孔隙结构的效果最为明显,同时对颗粒级配和结构也有调整;(2)化学改性方法则从颗粒接触方式、粒间胶结程度等方面影响土体强度,且不同化学反应的参与可生成独特的玻璃微珠或絮凝状细结构,从而大大提升土体某项参数指标,进而在强震中分别起到填充、胶结或缓冲作用;(3)强震作用前后不同改良方法对各微观要素的改变与相应的残余应变现象吻合较好,说明微结构能有效反映改良黄土残余变形的强弱。     

考虑孔隙特性的压实黄土抗剪强度试验研究

以甘肃省临夏某机场场址黄土为研究对象,基于室内三轴剪切试验,研究了初始含水率和压实度对重塑黄土抗剪强度指标、应力路径、破坏强度的影响规律;结合室内电镜扫描试验得到的重塑黄土细观结构图像,定量分析了不同压实度下重塑黄土孔隙特性,并建立了孔隙特性与破坏强度之间的关系.研究结果表明:(1)不同初始含水率和压实度条件下重塑黄土应力G应变关系曲线形式为软化型、弱硬化型和强硬化型:7%含水率以下、90%压实度以上条件下为软化型,7%含水率、 85%压实度以下及9%含水率、90%压实度以上条件下为弱硬化型,其余条件下则为强硬化型; (2)重塑压实黄土应力路径曲线呈斜直线形式,曲线形式基本不受压实度和含水率影响;(3)重塑压实黄土抗剪强度指标、破坏强度随初始含水率的增加而减小,随压实度的增加而增大;(4)重塑压实黄土破坏强度与微、小孔隙含量成正比例关系,与中、大、特大孔隙含量及孔隙平均周长和面积成反比例关系.     

地震长期效应对黄土力学性质的影响

黄土高原地区,具有大孔隙、弱胶结特征的黄土遭遇地震荷载影响后,其内部结构受到扰动,微结构的变化会在后期物理力学性质中集中反映出来。通过动三轴试验对原状黄土试样进行模拟历史地震预处理,对处理试样依次进行饱和、固结、不排水剪切试验。结果表明:黄土试样的初始含水率为10%时,经历历史地震扰动的黄土较未扰动黄土相比,其偏应力明显增加,孔隙水压力降低,抗剪强度指标值增大3.42 kPa和2.67°;当初始含水率增加至15%时,历史地震产生的长期效应将引起后期黄土强度持续增大,增幅远远超过10%的黄土试样,黏聚力和内摩擦角达到3.98 kPa和3.02°。通过扫描电镜试验和压汞试验,从微观角度分析地震长期效应对黄土力学性质影响的内在机制,结果发现历史地震引起黄土内部颗粒移动、孔隙结构变化是黄土强度增加的重要因素。     

高孔隙岩石变形的离散单元模型

实验和野外观测表明颗粒破碎显著影响高孔隙岩石的变形特征.为建立高孔隙岩石变形的数值模型,我们以弹性理论为基础并根据问题的特征进行合理简化,给出了一种颗粒破碎机制,并根据此颗粒破碎条件改进传统的离散单元模型.利用改进的离散单元模型,研究了不同压力条件下高孔隙岩石变形的宏观和微观特征.数值模拟结果表明考虑颗粒破碎的模型能重现高孔隙岩石在不同围压下变形的应力-应变关系、声发射特征、应变局部化和剪切增强压缩等特征.我们还发现,与野外观测结果一致,在高孔隙岩石脆性阶段剪切带内部及附近伴有显著的颗粒破碎.     

基于Matlab和IPP的黄土孔隙微观结构研究

黄土的孔隙结构是区别于其他土类的重要特点之一,黄土的湿陷、震陷等宏观力学表现与其孔隙结构密切相关。本文开发了利用Matlab和IPP(Image-Pro Plus)软件相结合的方法对黄土微结构图像进行处理,提出了一种基于灰度计算土的三维孔隙率方法,并对青海西宁、甘肃永登、甘肃兰州、宁夏西吉和山西芮城五处场地的原状黄土微观结构进行了定性与定量分析。结果表明:不同地区的Q3黄土微结构往往与地域、深度以及气候条件密切相关。在定性方面,六盘山附近及以东的地区降雨量较为丰富,颗粒以集粒和凝块为主;而六盘山以西的地区气候较为干旱,颗粒之间接触面较小,易形成架空孔隙。在定量方面,在空间上自西北向东南,黄土大孔隙含量增加;在深度上自上至下,黄土颗粒相互靠拢,粒间距离减小,大孔隙含量减小;随着深度的增加,地应力逐渐增大,黄土颗粒和孔隙受到挤压发生转动和变形,中孔隙和大孔隙的椭圆率变小,其中大孔隙变化显著;土体发生重塑,孔隙排列变得有序,孔隙大小以及孔隙面积在各个区域分布相对均匀,分维数和概率熵减小,玫瑰图曲线变得圆滑。     

不同制样方法对木质素改良黄土力学特性影响

利用加水湿拌和泥浆搅拌2种方法对木质素改良黄土试样先进行均匀混合，后利用静压法在50mm×100mm圆柱形模具中两端压实制备试样，基于三轴仪对不同制样方法下改良土试样进行无侧限抗压强度试验和固结不排水三轴试验。试验结果表明:泥浆制样法获得改良土试样无侧限抗压强度值和固结不排水剪切强度值均高于加水湿拌法获得改良土试样强度值。结合扫描电镜试验对不同制样方法下改良土试样细观结构进行分析，发现对于木质素改良土，泥浆搅拌法获得的试样中木质素与黄土颗粒形成了新的胶结物和团聚物；而加水湿拌法获得试样中，木质素在土颗粒中仅起到加筋作用，未出现新的胶结物。该结果从微结构角度揭示了2种制样法制备试样的本质差异。     

应力、应变控制下压实黄土动力特性研究

基于动三轴试验研究了不同围压条件下,加载控制方式对压实黄土动应力应变关系的影响规律,对比了不同控制方式下压实黄土的动应力应变时程曲线的差异。研究表明:压实黄土的动应力应变关系符合双曲线模型;加载控制方式不会改变压实黄土骨干曲线的类型,但会显著影响拟合参数的大小。相同围压下,采用应变控制测定的初始动模量较小;随着围压的增大,应变控制下初始动模量随围压的增长速率反而越小,二者之间的差距越来越大。应力控制和应变控制加载过程中,动模量在某一振级下随着动循环次数的增加而逐渐衰减,且应力控制方式下衰减的幅度较大。对于土体结构受力较为敏感的原状土,使用应变控制加载方式可能会获得更为准确的试验结果。     

黄土液化微细观特性试验研究

黄土液化演化过程的微观机理分析是液化防御的科学问题之一。通过微细观及动力学试验探索黄土液化的本质和影响因素。首先用CT细观扫描实验探索黄土渗透液化的细观变化,研究表明土体液面上升的根本原因是弱碱性盐类胶结物的吸水作用导致土样含水面整体上升;试样达到高饱和度,大孔隙周围颗粒间胶结物质破坏后有效应力为零,土层液化。粉土的孔隙尺寸和特殊的胶结物质导致高饱和度。土样微观结构的差异也会影响土的液面上升和破坏强度。针对低黏性粉土、粉质砂土及粉质黏土的三类黄土液化实验分析表明,低黏性粉土动荷加载时间更短,更易于液化,即低粘性粉土液化最为严重,粉质砂土为中等液化,粉质黏土相比其他黄土类别不易液化。电镜扫描土样微观结构参数分析表明,土颗粒周围胶结物质的化学元素比值(Ca/Fe),以及土颗粒粒径分布和孔隙尺寸(孔隙与颗粒比)均影响液化等级,可初步判断液化的强弱。     

基于细观结构的原状黄土动弹性模量和阻尼比试验研究

黄土的细观结构对其非线性动力参数具有重要影响。选取不同地区的典型原状黄土进行室内动三轴试验和扫描电镜(SEM)试验,利用PCAS孔隙图像识别与分析系统统计分析SEM图像,获取了黄土的孔隙细观结构参数,分析了孔隙细观结构参数与初始动弹性模量和阻尼比的关系。结果表明:初始动弹性模量随着土体平均孔隙直径、表观孔隙率、分形维数和概率熵的增大而减小,其中平均孔隙直径和分形维数对初始动弹性模量的影响较为显著,表明土体内孔隙的大小及其排列对土体的动弹性模量具有明显的影响;而阻尼比均随着土体平均孔隙直径、表观孔隙率、分形维数和概率熵的增大呈非线性增大,其与表观孔隙率和分形维数具有明显的相关性,表明孔隙数量及其排列形态对土的阻尼比影响较为明显。     

黄土震陷时微观结构随动应力变化分析

通过黄土微观结构图像的处理可以很好地提取黄土微观结构要素。本文取通渭老地震区的黄土做震陷实验,应用土体微观结构定量分析系统对不同正弦荷载下震陷土样的微结构图片作定量化结构效应分析,探讨了其不同动应力荷载下的微观结构参数变化规律,并建立了各参数与动应力的对应关系。结果表明,黄土震陷由其微观结构及外部荷载共同决定,各微观要素在震陷过程中有不同变化,孔隙的有效直径、孔径分维、连通率和颗粒定向度的微结构参数变化与残余变形变化基本保持一致。     

永登5.8级地震极震区黄土微结构孔隙性的定量研究

通过电镜扫描手段和计算机图像处理,对1995年永登5．8级地震极震区遭受地震影响和未遭受地震影响的黄土微结构变化的各项指标进行了对比试验和分析,并将分析结果绘成受震与未受震两种孔隙分布曲线。从这些曲线可以看出,不同地点的黄土孔隙分布特征不同;同一深度不同地点的孔隙分布亦有明显差异。对未受震(粒状架空孔隙结构)与受震(粒状镶嵌孔隙结构)黄土的微观结构进行了定量处理,其分析结果较好地解释了土体的工程性质。同时介绍了黄土微结构研究的方法和要求,通过对黄土微观结构的定量处理,揭示了黄土震陷性与黄土孔隙含量所占比例大小的内在关系,达到了确定黄土场地震陷量的目的,验证了利用微结构研究黄土结构变化的可行性。     

基于数字岩心动态应力应变模拟的非均匀孔隙介质波致流固相对运动刻画

地震波传播激发的不同尺度的流固相对运动(宏观、中观和微观)是许多沉积岩地层中地震波频散和衰减的主要原因,然而野外观测和试验测量都难以对非均匀多孔介质孔隙压力弛豫物理过程进行精细刻画.通过数字岩石物理技术,本文建立了三个典型的数字岩心分别用于表征孔隙结构、岩石骨架和斑状饱和流体引起的非均质性,利用动态应力应变模拟技术计算数字岩心的位移和孔隙流体增量图像.通过分析和比较三个数字岩心的位移和孔隙压力增量图像,细致刻画了发生于非均匀含流体多孔介质内的宏观、中观和微观尺度的流固相对运动:1)宏观尺度的波致孔隙流体流动导致波长尺度上数字岩心不同区域的孔隙压力和位移差异;2)中观尺度的流体流动发生在软层与硬层之间、气层与液层之间;3)微观尺度的流体流动发生在孔隙内部或相邻孔隙之间.数值模拟试验也证明基于数字岩心的动态应力应变模拟技术可以从微观尺度上更好的理解波致孔隙流体流动发生的物理机理,从而为建立岩石骨架、孔隙流体、孔隙结构非均质性和弹性波频散-衰减特征的映射关系奠定基础.     

基于三维X射线显微镜的孔隙性砂岩中变形带微观结构解析

孔隙性砂岩中变形带对揭示其相关地质作用过程和工程应用具有重要的意义，而其微观结构是其相关科学与工程研究的关键点。常规的岩石微观结构分析手段对于全面解析岩石内部的微观结构具有一定的局限性，而近年发展起来的三维X射线显微成像技术可以无损地获得岩石内部微米尺度的三维精细数字化图像，是建立岩石微观结构并对其进行解析的有效手段。通过三维X射线显微镜对孔隙性砂岩中变形带扫面，建立了高分辨率三维微观结构图像，利用高密度切片图像，对其微观结构特征进行解析。根据变形带微观产出状带和颗粒破碎过程的解析，建立颗粒破碎-破碎颗粒与残余破碎颗粒重新排列-局部颗粒破碎带-弱颗粒破碎变形带-强颗粒破碎变形带-强弱颗粒破碎变形带相间排列-簇状变形带的完整时间发育序列。      

不同区域原状黄土颗粒和孔隙特征分析

研究不同区域黄土颗粒和孔隙大小、形状和排列的定量差异,针对甘肃兰州、陕西西安和山西运城的原状黄土的电镜照片进行定量分析。首先应用Autocad描绘获得颗粒和孔隙的边界,拉开各对象后填充,然后导入到图像分析软件中获得各对象的长轴,短轴、周长、面积和长轴方向角;其次应用得到的参数计算反映对象大小、形状和定向排列的定量参数;最后比较不同区域原状黄土中颗粒和孔隙的定量参数差异。结果表明:甘肃兰州黄土颗粒的平均直径最大,形状最偏离圆形,三个区域颗粒排布在空间分布均匀;甘肃兰州黄土的孔隙平均直径与陕西西安的接近,形状更偏离圆形;颗粒的平均直径接近于孔隙的平均直径,颗粒形状更接近于圆形。     

基于两级尺度粗化的裂缝-多孔隙介质地震响应分析方法

实际地震勘探中，储层物性参数的差异是导致地震波响应特征发生变化的根本原因，而建立储层物性参数与地震响应特征之间的联系，需要跨越微观孔隙尺度、介观测井尺度以及宏观地震尺度等三个不同尺度空间.本文基于已知井的岩石物理实验数据和测井数据，利用复杂多孔隙介质理论将微观尺度孔隙岩石粗化到介观测井尺度，利用Backus平均理论将介观测井尺度的模型进一步粗化到宏观地震尺度，最终，得到地震尺度裂缝-多孔隙介质模型.其数值计算结果与测井数据和地震数据的对比表明：基于两级尺度粗化算法的裂缝多孔隙介质模型在给定参数下是有效的，且基于该模型的地震响应特征分析方法能够对储层的地震响应特征随物性参数的变化进行分析.     

黏粒含量对粉土液化后特性影响的试验研究

设计了分析粉土液化后单调荷载下剪切强度的三轴试验。对粉土施加动荷载使其发生液化后,在不排水条件下施加单调静荷载,直至土体达到强度稳定停止试验。试验结果表明,不同初始有效固结压力、初始孔隙比对液化后土体不排水剪切强度影响较大;液化后粉土表现出明显的剪胀特性,颗粒结构重组,孔压在不排水条件下逐渐消散,土体强度则逐渐增加并最终趋于某一稳定值;剪切强度与初始有效固结压力呈线性关系;孔隙比越小,其液化后剪切强度越大。     

土工格栅加筋粉煤灰改良黄土力学特性研究

随着西部黄土地区城镇化进程的加快,填挖结合的新增用地方式要求地基处理技术需要重点解决填方区的强度与变形问题。论文将粉煤灰作为改性填料对黄土进行改良,通过直剪试验、三轴试验、湿陷试验与扫描电镜试验,分析不同粉煤灰掺入比条件下加筋与未加筋黄土试样的强度变化规律、宏观破坏特征和微结构特征。结果表明:采用粉煤灰改良和土工格栅加筋后,黄土的最优含水率增大,最大干密度降低。当粉煤灰掺入比λ=20%时,加筋改良效果最好,黄土的峰值强度、残余强度和等效内摩擦角均有大幅提高,侧向变形显著减小,且能有效降低其湿陷性。微结构分析表明:粉煤灰对黄土的改良主要体现在颗粒直接填充和化学结晶体交织成的网状填充两种类型的强化作用,改良后黄土的孔隙率与孔隙尺寸均有所下降。研究结果可为黄土地区填方边坡与填方路基的改良加固提供参考。